15) Опишите архитектуру ibm pc совместимого компьютера.

Структурная схема современного IBM PC-совместимого компьютера приведе­на на рис. 4.1. Ядром компьютера являются процессор (один или несколько), ОЗУ, ПЗУ с BIOS и интерфейсные средства, связывающие их между собой и с остальными компонентами. Эти средства на рисунке изображены в виде «обла­ка», поскольку их формы разнообразны (шины, хабы). Это «облако» обычно имеет интерфейсы одной или нескольких шин расширения (ISA, PCI/PCI-X, PCI-E), а также порта AGP (уже вытесняемого PCI-Е). Стандартная архитекту­ра PC определяет набор обязательных средств ввода-вывода и средств под­держки периферии, включая систему аппаратных прерываний (i8259A), систему прямого доступа к памяти (i8237A), трехканальный счетчик (i8254), интерфейс клавиатуры и управления (i8042), канал управления звуком, память и часы CMOS. На рисунке изображены лишь логические связи между этими устройст­вами; подразумевается, что с помощью средств того же «облака» они представ­лены своими стандартизованными регистрами в общедоступном пространстве ввода-вывода. Также подразумевается, что все компоненты получают требуе­мое питание, что превращает весь этот набор компонентов в работоспособный компьютер. Конечно же, он должен быть дополнен периферией: дисплеем со своим адаптером, подключаемым к порту AGP, шине расширения или прямо в «облако», контроллерами шин периферийных устройств (АТА, SATA, SCSI, SAS, USB, FireWire), интерфейсов портов (COM, LPT, GAME...), дисководов, аудиосредств и пр. «Облако» вместе со средствами ввода-вывода и поддержки периферии реализуется чипсетом системной платы (см. 6.1), который обычно включает в себя и перечисленные выше интерфейсы.

Любой PC-совместимый компьютер имеет следующие характерные черты:

—процессор, программно совместимый с семейством х86 фирмы Intel;

—специфическую систему распределения пространства адресов памяти;

—традиционное распределение адресов пространства ввода-вывода с фиксиро­ванным положением обязательных портов и совместимостью их программной модели;

—систему аппаратных прерываний, позволяющую периферийным устройствам сигнализировать процессору о необходимости исполнения некоторых обслу­живающих процедур;

—систему прямого доступа к памяти, позволяющую периферийным устрой­ствам обмениваться массивами данных с оперативной памятью, не отвлекая на это процессор;

—набор системных (стандартных) устройств и интерфейсов ввода-вывода;

унифицированные по конструктиву и интерфейсу шины расширения (ISA, EISA, MCA, VLB, PCI/PCI-X, PCI-E, PC Card, Card Bus), состав которых может варьироваться в зависимости от назначения и модели компьютера;

—базовую систему ввода-вывода (BIOS), выполняющую начальное тестирова­ние и загрузку операционной системы, а также имеющую набор функций, обслуживающих системные устройства ввода-вывода.

16) Какие требования предъявляются к промышленным компьютерам. Опишите особенности их конструкции?

На базе рабочих станций или персональных компьютеров создают АРМ.

Типичный состав устройств АРМ: ЭВМ с одним или несколькими микропроцессорами, опера­тивной и кэш-памятью и шинами, служащими для взаимной связи устройств; устройства ввода-выво­да, включающие в себя, как минимум, клавиатуру, мышь, дисплей; дополнительно в состав АРМ мо­гут входить принтер, сканер, плоттер (графопостроитель), дигитайзер и некоторые другие периферий­ные устройства.

Память ЭВМ обычно имеет иерархическую структуру. Поскольку в памяти большого объема трудно добиться одновременно высокой скорости записи и считывания данных, память делят на сверхбыстродействующую кэш-память малой емкости, основную оперативную память умеренного объема и сравнительно медленную внешнюю память большой емкости, причем, в свою очередь, кэш­память часто разделяют на кэш первого и второго уровней.

Например, в персональных компьютерах на процессорах Pentium III кэш первого уровня имеет по 16 Кбайт для дан­ных и для адресов, он и кэш второго уровня емкостью 256 Кбайт встроены в процессорный кристалл, емкость оператив­ной памяти составляет десятки-сотни Мбайт.

Для связи наиболее быстродействующих устройств (процессора, оперативной и кэш-памяти, ви­деокарты) используется системная шина с пропускной способностью до одного-двух Гбайт/с. Кроме системной шины на материнской плате компьютера имеются шина расширения для подключения се­тевого контроллера и быстрых внешних устройств (например, шина PCI с пропускной способностью 133 Мбайт/с) и шина медленных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер и т.п.

Рабочие станции (workstation) по сравнению с персональными компьютерами представляют со­бой вычислительную систему, специализированную на выполнение определенных функций. Специа­лизация обеспечивается как набором программ, так и аппаратно за счет использования дополнитель­ных специализированных процессоров. Так, в САПР для машиностроения преимущественно приме­няют графические рабочие станции для выполнения процедур геометрического моделирования и ма­шинной графики. Эта направленность требует мощного процессора, высокоскоростной шины, памя­ти достаточно большой емкости.

Высокая производительность процессора необходима по той причине, что графические опера­ции (например, перемещения изображений, их повороты, удаление скрытых линий и др.) часто вы­полняются по отношению ко всем элементам изображения. Такими элементами в трехмерной (3D) графике при аппроксимации поверхностей полигональными сетками являются многоугольники, их число может превышать 104. С другой стороны, для удобства работы проектировщика в интерактив­ном режиме задержка при выполнении команд указанных выше операций не должна превышать не­скольких секунд. Но поскольку каждая такая операция по отношению к каждому многоугольнику ре­ализуется большим числом машинных команд требуемое быстродействие составляет десятки милли­онов машинных операций в секунду. Такое быстродействие при приемлемой цене достигается приме­нением наряду с основным универсальным процессором также дополнительных специализирован­ных (графических) процессоров, в которых определенные графические операции реализуются аппа­ратно.

В наиболее мощных рабочих станциях в качестве основных обычно используют высокопроиз­водительные микропроцессоры с сокращенной системой команд (с RISC-архитектурой), работающие под управлением одной из разновидностей операционной системы Unix. В менее мощных все чаще используют технологию Wintel (т.е. микропроцессоры Intel и операционные системы Windows). Гра­фические процессоры выполняют такие операции, как, например, растеризация — представление изо­бражения в растровой форме для ее визуализации, перемещение, вращение, масштабирование, удале - ние скрытых линий и т. п.

Типичные характеристики рабочих станций: несколько процессоров, десятки-сотни мегабайт оперативной и тыся­чи мегабайт внешней памяти, наличие кэш-памяти, системная шина со скоростями от сотен Мбайт/с до 1-2 Гбайт/с.

В зависимости от назначения существуют АРМ конструктора, АРМ технолога, АРМ руководите­ля проекта и т.п. Они могут различаться составом периферийных устройств, характеристиками ЭВМ.

В АРМ конструктора (графических рабочих станциях) используются растровые мониторы с цветными трубками. Типичные значения характеристик мониторов находятся в следующих пределах: размер экрана по диагонали 17...24 дюйма (фактически изображение занимает площадь на 5... 8 % меньше, чем указывается в паспортных данных). Разрешающая способность монитора, т.е. число раз­личимых пикселей (отдельных точек, из которых состоит изображение), определяется шагом между отверстиями в маске, через которые проходит к экрану электронный луч в электронно-лучевой труб­ке. Этот шаг находится в пределах 0,21.0,28 мм, что соответствует количеству пикселей изображе­ния от 800x600 до 1920x1200 и более. Чем выше разрешающая способность, тем шире должна быть полоса пропускания электронных блоков видеосистемы при одинаковой частоте кадровой развертки. Полоса пропускания видеоусилителя находится в пределах 110. 150 МГц и потому частота кадровой развертки обычно снижается с 135 Гц для разрешения 640x480 до 60 Гц для разрешения 1600x1200.

Специально выпускаемые ЭВМ как серверы высокой производительности обычно имеют струк­туру симметричной многопроцессорной вычислительной системы. В них системная память разделя­ется всеми процессорами, каждый процессор может иметь свою сверхоперативную память сравни­тельно небольшой емкости, число процессоров невелико (единицы, редко более десяти). Например, сервер Enterprise 250 (Sun Microsystems) имеет 1-2 процессора, его цена в зависимости от комплекта­ции колеблется в диапазоне 24-56 тыс. долларов, а сервер Enterprise 450 с четырьмя процессорами стоит от 82 до 95 тысяч долларов.